美研究所的3D器官工程计划取得重大进展：肾类器官的体外培养可以形成血管系统

近年来，研究人员在培养皿中创造了一种被称为“类器官”的微型器官。这种类器官包含了许多分布于肾、肝、肠甚至大脑等人体器官的细胞和复杂的微结构。然而，大多数体外培养的类器官缺乏必要的血管系统。血管系统可以提供氧气、营养以及清除代谢废物，促进不同细胞类型之间的交流，从而促使它们发育成熟为真正的功能器官。

对于肾类器官(类器官的一种)而言，缺乏血管系统这一缺陷导致研究人员无法在体外模拟肾脏的血液过滤、重吸收和尿液生成等关键功能。建立带血管系统的肾类器官可以更好地对肾脏疾病进行建模，增强肾脏药物毒性测试，并最终为肾脏替代疗法构建组成肾脏的“基石”。

现在，维斯生物启发工程研究所(以下简称维斯研究所)、哈佛大学保尔森工程与应用科学学院(SEAS)、布莱根妇女医院和由詹妮弗·路易斯(Jennifer Lewis)以及Ryuji Morizane领导的哈佛干细胞研究所共同成立的一个研究小组已经找到了一个强大的新方法，成为研究所新3D器官工程计划的一部分。与以往静态培养方法相比，这种方法是将来源于干细胞的类器官置于流体剪切应力下，这样能够显著扩展类器官的血管网络，并促进肾脏不同部位的成熟。这项研究发表在《自然方法》(Nature Methods)杂志上。

2015年，Ryuji Morizane和詹妮弗找出了一种方法，用这种方法能够从人类多功能干细胞中获得3D肾类器官。“虽然我们以及其他实验室合成的类器官含有大量组织良好的肾元和原始血管，但它们仍然缺乏遍布各处具有可灌注腔的血管腔室。”共同通讯作者Morizane说道。他是美国布莱根妇女医院和哈佛医学院的助理教授，也是哈佛干细胞研究所的成员。

最近，世界各地的研究人员将肾类器官移植到动物体内，使其与宿主的血管系统相连，从而促使其成熟。Morizane说:“我们的研究首次证明，通过将生长中的类器官置于流体中，我们可以大大增强它们的血管系统形成和体外成熟。流体是对人体组织发育起重要作用的机械信号。”

为了完成这一壮举，该团队使用了路易斯实验室的专业技术，该实验室开创了创建血管化人体组织的策略，包括使用3D肾芯片模型以及使用3D生物打印技术，这种技术可以灌注并维持很长时间。基于这些发现，他们假设流体流动也可以促进生长在肾类器官中的内皮细胞血管的形成。

“我们确定了细胞外基质、培养基添加剂和流体剪切应力的正确组合，在这种情况下，来源于人体干细胞的类器官在3D打印毫流芯片中生长时将会快速成长。”医学博士金伯利·霍曼(Kimberly Homan)说道。纳文·古普塔(Navin Gupta)是该研究的第一作者，他补充说:“血管网络在接近于构建肾小球和肾小管腔室的上皮结构处形成，反过来会促进上皮细胞成熟。这个过程就像一条双向街道，互相促进。”霍曼是维斯研究所和SEAS中刘易斯团队的助理研究员;古普塔是布莱根医院Morizane团队的临床研究员。

生长在3D打印芯片上的血管形成了一个具有开放腔的相互连接的网络，可以通过直接成像荧光珠在其中自由移动来确定液体的灌注。霍曼说:“看到这些血管化的肾小球和肾小管的形成，与肾元在体内正常发育时经历的一些阶段是相同的，我们很激动。”

“这一重要进展为在体外精确检测分化的肾元的药物毒性开辟了新途径，也为以源自患者的干细胞为起点，对影响特定结构和细胞类型的肾脏疾病(如多囊肾疾病)进行建模找到了新方法。”共同通讯作者路易斯说道。他是维斯研究所的核心研究员，也是该研究所3D器官工程项目的联合负责人。“我们的方法可能为肝类器官等其他类型的类器官的血管形成开辟道路。”

唐纳德·因格贝尔(Donald Ingber)说：“这项研究是一个很好的例子，说明了机械生物学的重要性以及维斯研究所3D器官工程计划的潜在力量。它为许多旨在为研究、制药和组织再生应用而需要创造人体功能组织的努力提供了重要的基石。”因格贝尔是维斯研究所的创办负责人，同时也是SEAS的生物工程教授。